Brasage par induction de l'aluminium avec assistance par ordinateur

Brasage par induction de l'aluminium avec assistance par ordinateur

Brasage par induction en aluminium devient de plus en plus courante dans l'industrie. Un exemple typique est le brasage de divers tuyaux sur un corps d'échangeur de chaleur automobile. Le bobine de chauffage par induction largement utilisé pour ce type de procédé est un procédé non encerclant, que l'on peut appeler le style «en épingle à cheveux en fer à cheval». Pour ces bobines, le champ magnétique et la distribution des courants de Foucault qui en résulte sont intrinsèquement de nature 3D. Dans ces applications, il existe des problèmes de qualité des joints et de cohérence des résultats d'une pièce à l'autre. Pour résoudre l'un de ces problèmes pour un grand constructeur automobile, le programme de simulation informatique Flux3D a été utilisé pour l'étude et l'optimisation des processus. L'optimisation comprenait le changement de la configuration de la bobine d'induction et du contrôleur de flux magnétique. Les nouvelles bobines d'induction, qui ont été validées expérimentalement en laboratoire, produisent des pièces avec des joints de meilleure qualité dans plusieurs sites de production.

Chaque voiture nécessite plusieurs échangeurs de chaleur différents (noyaux de chauffage, évaporateurs, condenseurs, radiateurs, etc.) pour le refroidissement du groupe motopropulseur, la climatisation, le refroidissement de l'huile, etc. La grande majorité des échangeurs de chaleur des voitures particulières sont aujourd'hui en aluminium ou en alliages d'aluminium. Même si le même moteur est utilisé pour plusieurs modèles d'automobiles, les connexions peuvent varier en raison des différentes dispositions sous le capot. Pour cette raison, il est de pratique courante pour les fabricants de pièces de fabriquer plusieurs corps d'échangeur de chaleur de base, puis de fixer différents connecteurs lors d'une opération secondaire.

Les corps d'échangeurs de chaleur sont généralement constitués d'ailettes, de tubes et de collecteurs en aluminium brasés ensemble dans un four. Après le brasage, les échangeurs de chaleur sont personnalisés pour le modèle de voiture donné en attachant des réservoirs en nylon ou, le plus souvent, des tuyaux en aluminium différents avec des blocs de connexion. Ces tuyaux sont fixés soit par soudage MIG, flamme ou brasage par induction. Dans le cas du brasage, un contrôle de température très précis est nécessaire en raison de la faible différence entre les températures de fusion et de brasage de l'aluminium (20-50 C selon l'alliage, le métal d'apport et l'atmosphère), la conductivité thermique élevée de l'aluminium et la courte distance par rapport à d'autres joints brasés lors d'une opération précédente.

Chauffage par induction est une méthode courante pour le brasage de divers tuyaux sur des collecteurs d'échangeurs de chaleur. La figure 1 est une image d'un Brasage à l'induction installation pour le brasage d'un tuyau à un tube sur un collecteur d'échangeur de chaleur. En raison des exigences d'un chauffage précis, la face de la bobine d'induction doit être à proximité immédiate du joint à braser. Par conséquent, une simple bobine cylindrique ne peut pas être utilisée, car la pièce n'a pas pu être retirée après le brasage du joint.

Il existe deux principaux styles de bobines d'induction utilisés pour le brasage de ces joints: les inducteurs de type «clamshell» et «fer à cheval-épingle à cheveux». Les inducteurs «à clapet» sont similaires aux inducteurs cylindriques, mais ils s'ouvrent pour permettre le retrait des pièces. Les inducteurs «en épingle à cheveux en fer à cheval» ont la forme d'un fer à cheval pour charger la pièce et sont essentiellement deux bobines en épingle à cheveux sur les côtés opposés du joint.

L'avantage d'utiliser un inducteur «Clamshell» est que le chauffage est plus uniforme en circonférence et relativement facile à prévoir. L'inconvénient d'un inducteur «Clamshell» est que le système mécanique requis est plus compliqué et que les contacts à courant élevé sont relativement peu fiables.

Les inducteurs «en épingle à cheveux en fer à cheval» produisent des schémas de chaleur 3D plus compliqués que les «Clamshells». L'avantage d'un inducteur de type «épingle à cheval» est que la manipulation des pièces est simplifiée.

Brasage aluminium à induction

La simulation informatique optimise le brasage

Un grand fabricant d'échangeurs de chaleur avait des problèmes de qualité avec le brasage du joint représenté sur la figure 1 en utilisant un inducteur de style fer à cheval en épingle à cheveux. Le joint de brasage était bon pour la majorité des pièces, mais le chauffage serait totalement différent pour certaines pièces, entraînant une profondeur de joint insuffisante, des joints froids et du métal d'apport remontant la paroi du tuyau en raison d'une surchauffe locale. Même avec le test de chaque échangeur de chaleur pour les fuites, certaines pièces fuyaient toujours à ce joint en service. Center for Induction Technology Inc. a été engagé pour analyser et résoudre le problème.

L'alimentation utilisée pour le travail a une fréquence variable de 10 à 25 kHz et une puissance nominale de 60 kW. Dans le processus de brasage, un opérateur installe un anneau de métal d'apport sur l'extrémité du tuyau et insère le tuyau à l'intérieur du tube. Un échangeur de chaleur est placé sur une plate-forme spéciale et déplacé à l'intérieur de l'inducteur en fer à cheval.

Toute la zone de brasage est préfluxée. La fréquence utilisée pour chauffer la pièce est généralement de 12 à 15 kHz et le temps de chauffage est d'environ 20 secondes. Le niveau de puissance est programmé avec une réduction linéaire à la fin du cycle de chauffage. Un pyromètre optique coupe l'alimentation lorsque la température à l'arrière du joint atteint une valeur prédéfinie.

De nombreux facteurs peuvent être à l'origine de l'incohérence rencontrée par le fabricant, tels que la variation des composants du joint (dimensions et position) et le contact électrique et thermique instable et variable (dans le temps) entre le tube, le tuyau, la bague de remplissage, etc. sont intrinsèquement instables et de petites variations de ces facteurs peuvent entraîner des dynamiques de processus différentes. Par exemple, l'anneau métallique de remplissage ouvert peut se dérouler partiellement sous les forces électromagnétiques, et l'extrémité libre de l'anneau peut être aspirée en arrière par des forces capillaires ou rester non fondue. Les facteurs de bruit sont difficiles à réduire ou à éliminer, et la solution au problème nécessitait d'augmenter la robustesse de l'ensemble du processus. La simulation informatique est un outil efficace pour analyser et optimiser le processus.

Lors de l'évaluation du processus de brasage, de fortes forces électrodynamiques ont été observées. Au moment de la mise sous tension, la bobine en fer à cheval subit clairement une expansion due à une application soudaine de force électrodynamique. Ainsi, l'inducteur a été rendu mécaniquement plus fort, notamment en incorporant une plaque supplémentaire en fibre de verre (G10) reliant les racines de deux bobines en épingle à cheveux. L'autre démonstration des forces électrodynamiques présentes était le déplacement du métal d'apport fondu loin des zones proches des spires de cuivre où le champ magnétique est plus fort. Dans un processus normal, le métal d'apport se répartit uniformément autour du joint en raison des forces capillaires et de la gravité, contrairement à un processus anormal où le métal d'apport peut s'échapper du joint ou remonter le long de la surface du tuyau.

brasage aluminium par induction est un processus très compliqué, il n'est pas envisageable de s'attendre à une simulation précise de toute la chaîne des phénomènes couplés entre eux (électromagnétique, thermique, mécanique, hydrodynamique et métallurgique). Le processus le plus important et contrôlable est la génération de sources de chaleur électromagnétiques, qui ont été analysées à l'aide du programme Flux 3D. En raison de la nature complexe du processus de brasage par induction, une combinaison de simulation informatique et d'expériences a été utilisée pour la conception et l'optimisation du processus.

 

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